Bacterias para el despegue: Utilización de microbios para fabricar un nuevo combustible para cohetes sobrealimentado

Conscientes de las ventajas que ofrece la biología, un grupo de expertos en biocombustibles dirigido por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) se ha inspirado en una extraordinaria molécula antifúngica fabricada por la bacteria Streptomyces para desarrollar un tipo de combustible totalmente nuevo que tiene una densidad energética proyectada superior a la de los combustibles pesados más avanzados que se utilizan hoy en día, incluidos los combustibles para cohetes utilizados por la NASA.

"Esta vía biosintética proporciona una ruta limpia para obtener combustibles de alta densidad energética que, antes de este trabajo, sólo podían producirse a partir del petróleo mediante un proceso de síntesis altamente tóxico", afirmó el director del proyecto, Jay Keasling, pionero de la biología sintética y director general del Instituto Conjunto de Bioenergía (JBEI) del Departamento de Energía. "Como estos combustibles se producirían a partir de bacterias alimentadas con materia vegetal -que se fabrica con dióxido de carbono extraído de la atmósfera-, su combustión en motores reducirá significativamente la cantidad de gases de efecto invernadero añadidos en relación con cualquier combustible generado a partir del petróleo".

El increíble potencial energético de estas moléculas candidatas a combustible, denominadas POP-FAMEs (por ésteres metílicos de ácidos grasos policilcopropanados), proviene de la química fundamental de sus estructuras. Las moléculas policilcopropanadas contienen múltiples anillos triangulares de tres carbonos que obligan a cada enlace carbono-carbono a formar un ángulo agudo de 60 grados . La energía potencial de este enlace forzado se traduce en más energía para la combustión que la que se puede conseguir con las estructuras de anillos más grandes o con las cadenas de carbono-carbono que suelen encontrarse en los combustibles. Además, estas estructuras permiten que las moléculas de combustible se empaqueten estrechamente en un volumen pequeño, lo que aumenta la masa -y, por tanto, la energía total- del combustible que cabe en cualquier depósito.

"Con los combustibles petroquímicos, se obtiene una especie de sopa de moléculas diferentes y no se tiene un gran control sobre esas estructuras químicas. Pero eso es lo que hemos utilizado durante mucho tiempo y hemos diseñado todos nuestros motores para que funcionen con derivados del petróleo", explica Eric Sundstrom, autor del artículo que describe los candidatos a combustible POP, publicado en la revista Joule, e investigador científico de la Unidad de Desarrollo de Procesos de Biocombustibles y Bioproductos Avanzados (ABPDU) del Laboratorio de Berkeley.

"El consorcio más grande que está detrás de este trabajo, Co-Optima, fue financiado para pensar no sólo en recrear los mismos combustibles a partir de materias primas de base biológica, sino en cómo podemos hacer nuevos combustibles con mejores propiedades", dijo Sundstrom. "La pregunta que nos llevó a esto es: '¿Qué tipo de estructuras interesantes puede hacer la biología que la petroquímica no puede hacer?".

La búsqueda del anillo o los anillos

Keasling, que también es profesor de la Universidad de Berkeley, llevaba mucho tiempo echando el ojo a las moléculas de ciclopropano. Había buscado en la literatura científica compuestos orgánicos con anillos de tres carbonos y sólo había encontrado dos ejemplos conocidos, ambos producidos por la bacteria Streptomyces, que es casi imposible de cultivar en un laboratorio. Afortunadamente, una de las moléculas había sido estudiada y analizada genéticamente debido al interés por sus propiedades antifúngicas. Descubierto en 1990, el producto natural recibe el nombre de jawsamicina, porque sus inéditos cinco anillos de ciclopropano le dan el aspecto de una mandíbula llena de dientes puntiagudos.

El equipo de Keasling, formado por científicos del JBEI y de la ABPDU, estudió los genes de la cepa original(S. roseoverticillatus) que codifican las enzimas de construcción de la mandíbula y se adentró en los genomas de los Streptomyces relacionados , buscando una combinación de enzimas que pudiera fabricar una molécula con los anillos dentados de la mandíbula y saltarse las demás partes de la estructura. Como un panadero que reescribe las recetas para inventar el postre perfecto, el equipo esperaba remezclar la maquinaria bacteriana existente para crear una nueva molécula con propiedades de combustible listo para ser consumido.

El primer autor, Pablo Cruz-Morales, pudo reunir todos los ingredientes necesarios para fabricar POP-FAMEs tras descubrir nuevas enzimas productoras de ciclopropano en una cepa llamada S. albireticuli. "Buscamos en miles de genomas las vías que fabrican de forma natural lo que necesitábamos. Así evitamos la ingeniería que puede o no funcionar y utilizamos la mejor solución de la naturaleza", explica Cruz-Morales, investigador principal del Centro de Biosostenibilidad de la Fundación Novo Nordisk, en la Universidad Técnica de Dinamarca, y coinvestigador principal del laboratorio de productos naturales de levadura con Keasling.

Por desgracia, las bacterias no cooperaron tanto cuando se trató de la productividad. Ubicadas en los suelos de todos los continentes, las Streptomyces son famosas por su capacidad para fabricar sustancias químicas inusuales. "Muchos de los medicamentos que se utilizan hoy en día, como los inmunosupresores, los antibióticos y los anticancerígenos, se fabrican con Streptomyces modificados", explica Cruz-Morales. "Pero son muy caprichosos y no es agradable trabajar con ellos en el laboratorio. Tienen talento, pero son divas". Cuando dos Streptomyces diferentes diseñados no lograron producir POP-FAMEs en cantidades suficientes, él y sus colegas tuvieron que copiar su grupo de genes recién dispuestos en un pariente más "manso".

Los ácidos grasos resultantes contienen hasta siete anillos de ciclopropano encadenados en una columna vertebral de carbono, lo que les valió el nombre de fuelimicinas. En un proceso similar al de la producción de biodiésel, estas moléculas sólo requieren un paso adicional de procesamiento químico antes de poder servir como combustible.

Ahora cocinamos con ciclopropano

Aunque todavía no han producido suficientes moléculas candidatas a combustible para las pruebas de campo - "se necesitan 10 kilogramos de combustible para hacer una prueba en un motor de cohete real, y todavía no hemos llegado a ese punto", explicó Cruz-Morales entre risas-, pudieron evaluar las predicciones de Keasling sobre la densidad energética.

Los colegas del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico analizaron los POP-FAME con espectroscopia de resonancia magnética nuclear para demostrar la presencia de los escurridizos anillos de ciclopropano. Y los colaboradores de Sandia National Laboratories utilizaron simulaciones por ordenador para estimar el rendimiento de los compuestos en comparación con los combustibles convencionales.

Los datos de la simulación sugieren que los candidatos a combustible POP son seguros y estables a temperatura ambiente y tendrán valores de densidad energética de más de 50 megajulios por litro tras su procesamiento químico. La gasolina normal tiene un valor de 32 megajulios por litro, el JetA, el combustible más común para aviones, y el RP1, un popular combustible para cohetes a base de queroseno, tienen alrededor de 35.

En el transcurso de su investigación, el equipo descubrió que sus POP-FAMEs tienen una estructura muy parecida a la de un combustible experimental para cohetes a base de petróleo llamado Syntin, desarrollado en los años 60 por la agencia espacial de la Unión Soviética y utilizado para varios lanzamientos exitosos de cohetes Soyuz en los años 70 y 80. A pesar de su potente rendimiento, la fabricación de Syntin se interrumpió debido a sus elevados costes y al desagradable proceso que implicaba: una serie de reacciones sintéticas con subproductos tóxicos y un intermedio inestable y explosivo.

"Aunque los POP-FAME comparten estructuras similares a la sintina, muchos tienen densidades de energía superiores. Las densidades de energía más altas permiten reducir el volumen de combustible, lo que en un cohete puede permitir un aumento de la carga útil y una disminución de las emisiones totales", afirma el autor Alexander Landera, científico de plantilla de Sandia. Uno de los próximos objetivos del equipo es crear un proceso para eliminar los dos átomos de oxígeno de cada molécula, que añaden peso pero no aportan beneficios a la combustión. "Cuando se mezclen en un combustible para aviones, las versiones adecuadamente desoxigenadas de los POP-FAME podrían proporcionar un beneficio similar", añadió Landera.

Desde la publicación de su documento de prueba de concepto, los científicos han empezado a trabajar para aumentar aún más la eficacia de la producción de la bacteria, con el fin de generar una cantidad suficiente para las pruebas de combustión. También están investigando cómo podría modificarse la vía de producción multienzimática para crear moléculas policiclopropanadas de diferentes longitudes. "Estamos trabajando en el ajuste de la longitud de la cadena para dirigirnos a aplicaciones específicas", dijo Sundstrom. "Los combustibles de cadena más larga serían sólidos, adecuados para ciertas aplicaciones de combustible para cohetes, las cadenas más cortas podrían ser mejores para el combustible para aviones, y en el medio podría estar una molécula alternativa al diésel".

La autora, Corinne Scown, Directora de Análisis Tecnoeconómico del JBEI, añadió: "La densidad energética lo es todo cuando se trata de la aviación y la cohetería, y aquí es donde la biología puede brillar de verdad". El equipo puede fabricar moléculas de combustible adaptadas a las aplicaciones que necesitamos en esos sectores en rápida evolución".

Con el tiempo, los científicos esperan convertir el proceso en una cepa bacteriana que pueda producir grandes cantidades de moléculas de COP a partir de fuentes alimentarias de desechos vegetales (como residuos agrícolas no comestibles y matorrales eliminados para la prevención de incendios forestales), lo que podría convertirlo en el combustible neutro de carbono definitivo.

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